Металлы и человек - Михаил Васильев

Никому не позволено выходить за рамки.

…Сравнительно недавно произошло это — тогда, когда инженеры-теплотехники начали борьбу за подъем параметров пара — его температуры и давления.

Выгодность этого была доказана теоретически и ясна всем без исключения. Так в чем же дело? И начали проектировать и строить паровые котлы и турбины все более высоких параметров.

Котлы и турбины работали вначале отлично. Потом… Потом они переставали работать совсем. Сначала начали рваться трубопроводы высокого давления. Затем оказалось, что лопатки турбин чуть ли не скребут по пазам корпуса. Они почему-то удлинились, выросли. Это было удивительно: ведь нагрузка на них не выходила даже за пределы пропорциональности.

И тогда-то впервые было произнесено это слово — крипп металлов, или иначе — ползучесть металлов.

Оказалось, что при высоких температурах металл под влиянием статических нагрузок ползет, удлиняется. Удлинившись, распухнув, разрывались паропроводы свежего пара, удлинялись и лопатки, постоянно работающие с этим очень горячим паром.

Правда, металл ползет очень медленно. Например, метровой длины стержень из углеродистой стали за год работы под нагрузкой в 100 кг на кв. см при температуре в 540 градусов удлинится всего на 15 мм. Но и этого с избытком довольно, чтобы остановить, испортить паровую турбину. Тем более, что уже незначительное повышение температуры— всего до 600 градусов — увеличивает скорость ползучести этого стержня почти в 10 раз.

Разные сплавы ползут по-разному. Одни начинают ползти при более высокой температуре, другие — при менее высокой. А какому огромному числу изделий из металла приходится работать при высокой температуре! Да, и эта характеристика нужна для инженера-конструктора. И без нее он не сможет спроектировать целого ряда современных машин.

…В конструкторском бюро стоит у чертежной доски инженер. На белом листе ватмана, приколотом канцелярскими кнопками к мягкому дереву доски, — наброски конструкции. В руке у инженера логарифмическая линейка — удивительно простой и удивительно удобный счетный прибор. На столике перед ним — справочники и бумага. Инженер не только чертит, он рассчитывает конструкцию.

Вот он думает над основанием машины — станиной. На ней встанет весь корпус станка, она должна быть прочной. Вместе с тем она должна быть и массивной, чтобы обеспечить устойчивость. Значит, материал, из которого станина будет сделана, должен быть дешевым. Что же это за материал?

Инженер смотрит в таблицы, где приведены различные характеристики металлов. Может быть, для этой цели применить сталь? Ведь одна из ее марок имеет допустимое напряжение при работе на сжатие, так привык говорить инженер, равное 1500 кг на кв. см. Но ведь то же самое напряжение выдерживает и значительно более дешевый чугун. И инженер останавливает свой выбор на чугуне.

А теперь он занят подбором материала для турбинных лопаток. Ро тор этой турбины будет делать 3 тысячи оборотов в минуту. Центробежная сила схватит лопатку и начнет ее вырывать из ротора, попытается оторвать ее от основания. Инженер подсчитывает, перемещая движок логарифмической линейки, величину этой силы. Ого! Целые 4 тонны на 1 кв. см, не считая усилий от струй пара, которые тоже надо будет учесть.

Иногда это совсем не просто — найти нужную марку сплава.

Да ведь к тому же этой лопатке придется работать постоянно во влажной атмосфере уже начинающего конденсироваться пара, и, конечно, надо обеспечить, чтобы она не начала ржаветь… Инженер листает те страницы справочника, где собраны характеристики лучших легированных нержавеющих сталей. Только там сможет найти он нужный материал…

А сколько хлопот доставит инженеру выбор материала для тех частей его машины, (которым придется работать при температуре в 800 градусов! Он пытается обеспечить их охлаждение струей холодного воздуха, прокачиваемой по трубам водой. Ничего не получается, весь «тепловой удар» придется принять на себя материалу конструкции. Он открывает специальную главу справочника, где собраны характеристики жаропрочных материалов. Здесь сообщается не только о прочности их при комнатной температуре, но и об их поведении при температуре в 300, 600, 800 градусов… Нелегкое дело подобрать материал для таких сложных условий работы!

…Проект машины готов. Тонкие неуверенные линии, проведенные по ватману твердым, как гвоздь, карандашом ЗН, линии, которые можно в одно мгновение стереть и заменить другими, обведены мягким жирным НВ. Внизу справа — перечень составляющих машину деталей. И рядом с каждым названием обязательно присутствует марка материала, из которой инженер просит изготовить эту деталь. Только тогда он отвечает за прочность машины.

Облагораживающие добавки

В одной старинной— 1546 года издания — немецкой книге приведена интересная гравюра: шесть юношей стоят на коленях перед величественным старцем, восседающим на троне. Подпись гласит: «Шесть младших металлов умоляют своего старшего брата — Золото — передать им свои совершенства».

Но, с точки зрения современного инженера-конструктора, у золота нет никаких выдающихся по сравнению с другими металлами качеств, кроме его химической стойкости, умения не окисляться, не ржаветь. Да и это свойство уже давно не является монополией золота.

Золото уступает большинству металлов по прочности. А если учесть его весьма значительную тяжесть, то оно становится просто негодным конструктивным материалом.

А каких только удивительных материалов нет сегодня в распоряжении конструкторов! Ведь свыше тысячи различных сплавов, удовлетворяющих самым различным требованиям, создали на сегодняшний день металлурги.

На первом месте, конечно, стоят стали. Подавляющее большинство деталей машин и сооружений, металлических предметов домашнего обихода сделано из сталей. Их бесчисленное множество — сотни и тысячи марок.

Знакомясь с диаграммой состояния сплавов железа с углеродом, мы уже говорили о некоторых из них. Это те стали, в состав которых входят железо и углерод. Правда, в них еще обычно входят и вредные примеси. И в зависимости от их процентного содержания стали бывают обыкновенными, качественными и высококачественными. Если в стали содержится до 0,055 процента серы, это будет сталь обыкновенная. В качественной стали содержание серы не превышает 0,030— 0,045 процента, а в высококачественной— даже 0,020 процента. Надо ли говорить, что высококачественную сталь получают только в электропечах!

Правильное питание — основа здоровья.

Углеродистые стали находят чрезвычайно широкое применение. Из них делают детали машин и инструменты, пружины и рессоры, цилиндры паровых машин и кастрюли. И все-таки далеко не всегда могут удовлетворить требования конструктора углеродистые стали.

Для того чтобы еще улучшить качества сталей или придать им совершенно новые свойства, в них добавляют сравнительно небольшие количества легирующих элементов.

Мы уже знаем, какое огромное значение могут оказывать на качества металла даже незначительные посторонние примеси. Не зря идет такая отчаянная погоня за новыми и новыми «девятками» — борьба за чистоту германия, сурьмы и других металлов. Но там примеси искажали, затемняли естественные свойства металлов, а здесь они, наоборот, сообщают им новые важные свойства, которыми не обладают никакие марки углеродистой стали.

Так, углеродистая сталь ржавеет. Это крайне неприятное ее свойство. И далеко не всегда возможна борьба со ржавчиной. Как, например, защитить от ржавления стальную обшивку судна, все время находящуюся в морской воде? Или лопасти насоса, перекачивающего сильно агрессивную жидкость? Мало радости доставляет домашней хозяйке и обыкновенный столовый нож, который — забудь его на ночь мокрым — к утру покрывается пятнами ржавчины. Невольно позавидуешь золоту!

А между тем добавки легирующих элементов могут придать стали и это единственное достоинство золота. Мало того, такие стали выпускаются в промышленном масштабе — целая группа нержавеющих сталей. Одни предназначены для работы в атмосферных условиях, другие — в морской воде, третьи — в кислотных средах. Свойство усиленно сопротивляться коррозии, ржавчине, сталям придают добавки никеля и хрома. Так, сталь, содержащая 12–14 процентов хрома, в течение нескольких лет может оставаться на воздухе, подвергаться всем атмосферным воздействиям, все-таки на ней не появится ни пятнышка ржавчины. Из такой стали изготовляют медицинские инструменты. Как свеж и не-затуманен их блеск в руках хирурга! А увеличение содержания хрома до 27–30 процентов еще повышает коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях и в речной воде.